在文献[1]给出的FRP/钢嵌入式T形连接方案基础上,设计两端面对称的内嵌式T形连接方案。在制备工艺上,提出了钢质槽体内密封芯材处不含U形卡槽(Ⅰ型)、含U形卡槽(Ⅱ型)以及U形卡槽与平铺层织物缝合(Ⅲ型)三种工艺方案,并参照上述三种工艺方案制作内嵌式T形连接接头,分别开展了拉伸、压缩弯曲承载特性试验研究,对比分析了三种接头分别在拉伸弯曲和压缩弯曲载荷作用下的初始损伤特性、损伤演变规律以及连接失效机理。研究结果表明:内嵌式T形连接方案有效降低了压缩弯曲载荷作用下钢质槽体两侧端面与层合板应力集中水平;无论是在拉伸弯曲还是在压缩弯曲载荷作用下,Ⅲ型接头初始损伤载荷均最高,且在极限承载状态下,Ⅲ型接头结构连接可靠性更高。

以环氧树脂为基体,以石英纤维为增强体,制备了石英纤维增强环氧树脂基复合材料,探究了不同功率密度的高能连续激光对石英纤维增强环氧树脂基复合材料的辐照效应,分析了功率密度分别为100 W/cm²、500 W/cm²和1 000 W/cm²的激光对辐照样品宏微观形貌和质量烧蚀率的影响,并通过温度演变数据和树脂热解阈值模型对烧蚀行为作进一步分析。研究结果表明:激光作用于复合材料表面后,沉积的能量将造成环氧树脂基体的热解,随着激光功率密度增加,环氧树脂基体热解程度增加,复合材料表面烧蚀区域不断扩大,质量烧蚀率增加,对复合材料的破坏加剧。环氧树脂基体热解生成的气体和残炭起到了消耗能量、遮蔽激光、阻隔热量等作用,使复合材料具备了一定的抗激光烧蚀性能。

针对军用飞机遭受导弹和炮弹及其碎片高速冲击的情况,提出具有自感知功能的复合材料层板结构,对损伤进行监测。采用激光诱导技术在聚酰亚胺纸表面制备石墨烯感知层,并共固化于复合材料层板中,结合电学成像技术对损伤进行感知与识别。在复合材料层板结构遭受高速冲击前后分别对石墨烯层注入激励电流并测量边界电压数据,通过正则化算法重建损伤引起的电导率变化分布图像,并识别获取损伤信息。实弹射击试验结果表明,聚酰亚胺纸上激光诱导的石墨烯层具有良好的感知功能,结合电学成像重建的损伤图像可以较准确反映出损伤位置,并提供损伤近似尺寸等信息,验证了所提出的自感知复合材料层板对高速冲击损伤监测的有效性。

单搭接胶接是一种常见的复合材料连接方式,具有高强度和优异的耐久性等优点,在工程实际中应用广泛,但单搭接胶接接头常会发生失效和破坏。为深入研究胶接接头的失效机制,制备了不同搭接长度的单搭接胶接接头试样,使用拉伸机等设备进行拉伸试验,以获取接头的载荷-位移曲线。基于连续损伤力学模型及3D Hashin失效准则,选用Cohesive单元模拟胶层的损伤,利用有限元软件对CFRP层合板胶接接头在整个拉伸阶段中的损伤起始与演化过程进行数值模拟,试验数据验证了仿真结果的有效性。结果表明:接头失效过程经历了由胶层的裂纹产生到CFRP层间的损伤起始再到胶层的内聚失效;在拉伸载荷作用下,接头的损伤区域最先发生在接头的端头位置,随后逐步向里扩散;接头主要承受Ⅱ型断裂模式下的剪切应力和剥离应力,且剪切应力是导致损伤起始的主要原因。

为研究聚乙烯纤维水泥基复合材料(PE-ECC)复合盐冻后的拉伸性能,设置了纯水和复合盐侵蚀(5% Na₂SO₄+3.5% NaCl)两种冻融环境,分别进行了0,50,100,150,200次冻融循环后的轴向拉伸试验。试验结果表明:两种冻融环境下试件的损伤程度均随着冻融次数的增加而增大;相同冻融次数下,复合盐冻条件下试件表面剥蚀程度更严重,变形性能更低,但极限应变均能保持在2%以上。在此基础上,通过XRD、SEM、EDS能谱分析、核磁共振等技术研究复合盐冻后PE-ECC拉伸性能劣化的微观机理。结果表明,复合盐侵蚀产生的膨胀性水化产物如水镁石、石膏、钙矾石等大量堆积,使孔隙和微裂缝开展,与孔中水结冰共同作用,加剧了内部结构的损伤。

为获得具有耐γ辐照性能的气凝胶保温材料,本文开发了一种以硅溶胶和硝酸钆、硝酸镧为原料,在酸碱催化作用下发生水解缩聚反应制备的稀土基气凝胶材料,将该材料与玻璃纤维进行复合,得到稀土基气凝胶复合材料。结果表明:稀土基气凝胶具有纳米多孔材料的典型特征,经900 ℃热处理后,钆基气凝胶收缩率和比表面积变化远小于二氧化硅气凝胶变化;对钆基气凝胶复合材料进行辐照处理,其力学性能未减小,说明该材料兼具耐辐照和保温性,可为核反应堆的安全、高效运行提供重要的保障。

为了改善无机复合材料在服役环境下力学性能骤降的缺点,本研究以超细高岭土和B₄C颗粒填充自制磷酸二氢铝作为基体,以碳纤维作为增强体,制备了碳纤维增强磷酸铝复合材料。通过力学万能试验机、差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射(XRD)仪、扫描电镜(SEM)等对该复合材料进行了性能表征。结果表明:随着两种骨料颗粒的添加,碳纤维增强磷酸铝复合材料的最高密度达到1.871 g/cm³,常温抗弯强度先增大后减小,高岭土颗粒在高温下会裂解生成Al₂O₃及SiO₂,并与B₄C生成一定量的SiC以及BPO₄与B₂O₃等组成的熔融态物质,填充了基体裂解产生的孔隙,从而减少了复合材料的结构缺陷。当m[Al(H₂PO₄)₃]∶m(高岭土)∶m(B₄C)为100∶35∶15时,平均抗弯强度最高可达129.5 MPa,600 ℃热处理60 min后抗弯强度为65.47 MPa,力学强度保持率得到提高,可达50.56%。

在复合材料中嵌入形状记忆合金制成的纤维增强材料具有高强度与自修复性等优点,可明显提高修理结构刚度及抗剥离性。基于一阶剪切变形理论(FSDT)与Hamilton原理,推导了SMA复合材料的本构方程与振动控制方程。使用ABAQUS软件建立内嵌多种铺设构型的SMA补片单面贴补修理层合板模型,通过数值仿真与试验验证,探究不同温度下SMA铺设构型对修理玻璃纤维层合板振动特性的影响。结果表明:相较于单线型(D)与垂直交叉型(C),斜铺交叉型(X)SMA修理板的前三阶振型更接近传统修理板(Q₀)前三阶振型,其修理结构的整体刚度及抗剥离性最优。高温作用下,四种构型修理板的固有频率下降率排序为Q₀>D₆>C₆>X₆,即内嵌不同铺设方式的SMA可不同程度减小温度对固有频率产生的影响,其中X₆型下降率最低,可达1.24%。SMA铺设数量与IQR值、固有频率的下降率关系为6根>12根>24根,即随板中内嵌SMA数量增加,热效应对固有频率影响减小,其中X₂₄型修理结构热稳定性与修理效果最好。SMA修理板的高阶固有频率对温度更敏感,更易受温度影响而改变。

采用偶极子格网法计算非定常气动力,利用P-K法计算颤振速度,对大展弦比复合材料机翼的颤振特性进行研究,重点探讨非均衡系数铺层、等厚度多角度铺层和同角度变厚度铺层对颤振速度和高亚音速凹坑现象的影响。研究表明:相比0°铺层角度,±45°铺层角度可以较大幅度提升颤振速度并减小凹坑的区域,获得更大的飞行马赫数和动稳定性;在低亚音速中,与非均衡铺层相比,均衡铺层的颤振速度更高,颤振速度对非均衡系数的影响并不显著;在高亚音速中,均衡铺层可以提升最低点的颤振速度,减小凹坑的深度,而非均衡铺层可以滞后最低点的颤振速度;铺层厚度的增加可以提高颤振速度,且二者呈线性关系,但随着铺层厚度的提升,固有频率降低。

玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋对混凝土柱承载力的影响十分关键,为深入评估GFRP筋设计应用于增强混凝土柱的承载力性能,利用随机森林(RF)、人工神经网络(ANN)、AdaBoost和XGBoost算法,分别建立了各自的GFRP筋增强混凝土柱承载力模型。建立了GFRP筋增强混凝土柱的试验数据库,对已有的GFRP筋增强混凝土柱承载力理论公式进行了初步评估,并进一步对比分析GFRP筋增强混凝土柱承载力的RF模型、ANN模型、AdaBoost模型和XGBoost模型的预测精度。结果表明:已有的GFRP筋增强混凝土柱承载力理论公式的判定系数(0.70左右)均小于RF模型(0.82)、AdaBoost模型(0.80)和XGBoost模型(0.80)的制定系数,且平均绝对误差和均方根误差基本都大于RF模型、ANN模型、AdaBoost模型和XGBoost模型的相应值,表明现有理论公式的准确性低于RF模型、ANN模型、AdaBoost模型和XGBoost模型准确性。与ANN模型相比,RF模型、AdaBoost模型和XGBoost模型均可较为准确地评估GFRP筋增强混凝土柱的实际承载力性能(尤其是RF模型)。研究可为GFRP筋设计应用于增强混凝土结构时的承载力设计和分析提供参考。

随着复合材料逐步应用于民机主承力结构,机翼-机身等重要连接结构的失效模式、传载规律研究愈发重要,然而对含损伤主承力连接结构的研究仍不充分。紧固件缺失作为一种潜在的关键失效形式,开展相关研究对进一步理解复合材料翼根连接结构力学特性、保证民机结构安全具有重要意义。以民机复合材料机翼翼根长桁连接结构为研究对象,设计并制备完好试验件、关键紧固件缺失试验件,通过试验、仿真相结合的方法研究了关键紧固件缺失对试验件整体刚度、应变分布、钉载分配的影响。结果表明:关键紧固件(位于第1排)缺失后,翼根结构的连接刚度未发生显著变化;第1排紧固件位置的应变片数值变化在5%以内,第2~4排靠近缺失紧固件位置的应变片数值显著提高,最大分别提高22.1%、13.4%、9.1%;第1~3排靠近缺失紧固件位置的钉载显著提高,最大分别提高约15%、18%、12%,其他位置紧固件钉载提高均在5%~10%之间。关键紧固件缺失对水平三叉接头、对接带板的载荷分配基本未产生影响。

湿热环境下纤维增强树脂基复合材料(FRP)力学性能会发生劣化,影响其服役性能与寿命。本论文研究了拉挤碳纤维(CFRP)与玻璃纤维增强复合材料(GFRP)杆体在40 ℃、60 ℃与80 ℃蒸馏水中的吸湿与扩散行为,以及杆体的短梁剪切强度退化规律,建立了基于时温等效原理的杆体短梁剪切强度寿命预测模型。结果表明:GFRP杆体具有较低的水扩散速率与饱和吸水率;水分子与浸泡温度是影响杆体短梁剪切强度劣化的关键因素,在低温浸泡下,杆体短梁剪切强度随着水分子的侵入快速退化;80 ℃高温暴露加速玻璃纤维-树脂界面脱黏,导致GFRP杆体的短梁剪切强度退化速率远远高于CFRP杆体速率。长期寿命预测结果表明,CFRP杆体短梁剪切强度稳定保留率为77.4%,而GFRP杆体短梁剪切强度在长期浸泡下完全丧失。

随着复合材料零组件在民机批产和服役阶段的大量应用,复合材料损伤失效问题逐渐突显,为规范复合材料零组件损伤失效分析的工作,在复合材料零组件损伤失效分析经验的基础之上,建立了民用飞机复合材料零组件损伤失效分析的过程和方法,结合航线起落架外舱门损伤失效案例,对舱门损伤失效过程进行逆向反推,查找损伤失效原因,为复合材料零组件设计、制造、维护提供问题解决或优化的方案,并提供了一个易于指导和实施的分析程序和方法。

为解决碳纤维缝线在过线道中因张力过大产生毛羽较多的问题,对双边缝合装置的缝线张力进行分析,基于双边缝合装置缝线过线道建立悬链线模型及缝线与张力调节器、挑线孔和过线环张力模型。分析缝线缝合过程中张力变化情况,重点采用约束随机方向法对挑线机构构件尺寸进行优化,并对优化前后双边缝合装置进行缝合实验。实验结果表明:在优化后的挑线机构下,叠层机织碳布双边缝合装置的过线道缝线张力减小了58%,解决了缝线在过线道因张力过大产生毛羽较多的问题,改善了缝线线迹的质量,为后续保证缝线线面张力稳定打下基础。

以回收碳纤维(Recycle Carbon Fiber, RCF)和聚丙烯(Polypropylene, PP)纤维为原料,通过非织造工艺制备为RCF/PP纤维毡,再通过热压成型将其制备为RCF/PP复合材料,探究非织造工艺参数以及模压成型参数,并对材料性能进行了研究。结果表明:针刺工艺采用15 pin/cm²的针刺密度和10 mm的针刺深度;热黏合工艺采用130~180 N/cm²的压力和160~180 ℃的温度。针刺固结的复合材料在190 ℃、6 MPa的条件下热压成型;热黏合固结的复合材料在177~180 ℃、7 MPa的条件下热压成型。针刺毡CD方向的拉伸性能相较于PD方向性能提高77.8%,热黏合毡CD方向的拉伸性能相较于PD方向性能提高59.3%,RCF/PP复合材料具有一定程度的各向异性。

为实现对复合材料预制体的单边缝合,提高生产效率和产品质量一致性,基于单边双针双线缝合工艺,设计一种单边双针双线缝合头。该缝合头能够在复合材料预制体的一侧实现变角度缝合,增大缝合预制体厚度,提高预制体的抗切应力;它采用双电机驱动,具有摆动插刺机构以及同步传动机构等相关结构设计。在Pro/E中对缝合头进行总体设计与装配,并在Workbench中对缝合针进行强度校核。最后,对单边双针双线缝合头进行装配。

为减轻车身重量,对金属电池包上盖进行玻璃纤维复合材料轻量化设计。依据上盖的技术要求,采用黑阻燃玻璃纤维方格布预浸料进行铺层设计,通过试验优选[(0,90)/(±45)/(0,90)/(±45)/(0,90)]₂铺层为性能最优方案。利用 FiberSIM 软件进行电池包上盖结构的铺覆设计,探讨盖类件的铺覆裁剪方案,分别对(0,90)和(±45)的铺层进行铺覆可行性分析,依据完整度指标对铺层展开图进行分析,确定剪口方案为最佳方案。选取颠簸、紧急制动和左急转弯工况对电池包上盖作静态分析,分别对金属材质与玻璃纤维材质两种电池包上盖最大位移值和最大应力值进行比较,验证了玻璃纤维复合材料铺层方案的准确性。实际制造产品的强度、刚度、气密性、阻燃、导热、耐电压均满足设计要求,减重41.22%,满足轻量化要求。

复合材料储氢瓶具有质量轻、比强度高、可设计强等优点,被广泛应用于氢气储存运输。储氢瓶循环充放氢导致疲劳损伤,成为复合材料储氢瓶的主要失效模式之一。因此,研究复合材料储氢瓶的疲劳失效行为,开展疲劳寿命预测分析具有重要的理论和工程应用价值。综述了近年来国内外在复合材料储氢瓶疲劳有限元分析方面的研究进展,介绍了储氢瓶疲劳失效理论,归纳了储氢瓶疲劳寿命预测研究方法以及储氢瓶主要结构参数对疲劳寿命的影响,并对复合材料储氢瓶疲劳仿真的未来发展趋势进行了展望。

蜂窝夹层结构因对子弹和各类爆炸物具有较好的防护效果而作为一种潜在的装甲结构被越来越多地应用于军用车辆和舰船。通常蜂窝夹层结构在战场环境下会受到子弹和爆炸物等不同形式的高速冲击,并且这些冲击会导致蜂窝夹层结构产生不同形式的损伤,因此当前国内外学者对蜂窝夹层结构抗高速冲击性能及其损伤模式进行了大量研究。本文分别对国内外爆炸冲击和弹道冲击两种不同形式的高速冲击研究进行回顾和总结。在爆炸冲击方面,分别从空爆试验、水下爆炸试验、流固耦合效应和芯层形式差异等方面进行论述。在弹道冲击方面,分别对弹道冲击试验、蜂窝夹层结构等效建模、面板的损伤形式以及弹道极限速度等方面进行论述。并在最后对当前蜂窝夹层结构高速冲击试验及仿真中存在的不足及其改进方法进行论述。

随着军事和民用领域需求的不断增加,装备防护性将会面临爆炸冲击等挑战,例如,空中爆炸冲击波对飞机、导弹以及警用防爆服结构的影响。在空爆载荷作用下,结构各部分相互作用,以及受材料和几何非线性的影响,导致其动态力学行为变得异常复杂,因此空爆载荷作用下结构的动态响应及防护性能研究是一个急需关注的热点与难点问题。本文主要对空爆冲击方向的研究现状进行详细梳理及总结,首先对空爆载荷传播特性的经验公式计算、数值模拟及试验研究现状进行了综述;其次详细介绍了空爆载荷作用下多孔材料、陶瓷、纤维增强复合材料与均质金属等典型防护设计材料的动态响应及抗冲击结构设计研究进展,其研究内容涉及结构损伤及破坏效应、抗爆吸能特性和防护设计等;最后对该研究领域进行总结与展望,提出了急需分析解决的几个关键研究难题,为后续抗爆冲击结构设计提供参考和借鉴。